中空玻璃胶接结构界面脱粘缺陷的超声与X射线检测研究

王小杰 魏培欣 许一源 梁雯雯

摘要：城市轨道交通列车车窗多采用中空玻璃，四周具有玻璃-聚氨酯-玻璃三层结构，其界面脱粘问题是车辆运行中的重大安全隐患。实验使用超声波探伤仪和X射线探伤仪对玻璃-聚氨酯-玻璃三层胶接结构进行了分析，结果表明采用超声分析仪基于波峰位置和峰值衰减情况可以定性分析缺陷的位置：低于48mm的范围有多次一界面回波，48mm左右与52mm左右有明显的波峰，不存在脱粘缺陷，为粘接良好胶接结构;每间隔8mm出现一次波峰，两个波峰间存在更小的峰，且峰值呈递减状态，为一界面脱粘缺陷结构;一界面回波总体峰值较低，波峰间隔8mm左右，为二界面脱粘缺陷结构。X射线可检测出粘接试样上存在的界面粘接缺陷和材料内部的自然缺陷。在合理选取判断基准的前提下，测长法可对界面脱粘缺陷进行定量分析。

关键词：超声检测;界面脱粘缺陷;二界面回波;波峰

中图分类号：TB559  文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

轨道交通高速便捷、安全可靠、智能高效、低碳环保，是最具可持续性的交通运输模式，正在中国空前发展。为保障列车安全运行，在轨道车辆的日常检修与维护方面，也存在一些难题亟待解决，其中车体各结构的无损检测最为紧迫。

具有多层胶接结构的轨道交通列车车窗，在安装过程中可能会因为缺胶、粘接面不净等原因产生缺陷;在列车运营过程中还会因为环境因素及外界载荷的作用出现裂纹、界面破坏和胶层破坏等缺陷 ^[1]。胶接结构诸多缺陷中界面脱粘缺陷危险性最大，最易导致安全隐患^[2]，因此开展轨道交通列车车窗胶接结构的界面脱粘缺陷无损检测研究意义重大。

超声检测和X射线检测是胶接结构缺陷无损检测最有效的手段^[3]。目前，超声无损检测研究主要针对复合材料、金属壳体等薄层结构，对于厚度大、由多种材料组合而成的多层结构报道较少。X射线检测主要针对金属及焊接结构缺陷进行探伤，对多层界面脱粘缺陷报道也不多见。基于此，本文提出针对轨道交通列车车窗典型结构的界面缺陷，应用超声脉冲回波法和X射线法进行探测，分析其无损检测的可行性。

1实验与仪器

1.1 中空玻璃胶接结构制备

根据车窗的结构和尺寸设计了图1尺寸为200×30×（4+10+4）的胶接结构，两侧为玻璃层，中间层为聚氨酯，黑色部分为橡胶垫块，灰色区域为认为设计的脱粘缺陷。为方便分析缺陷，分别设计了粘接良好、一界面脱粘、二界面脱粘三种不同的胶接状态。图2所示是中空玻璃胶接结构实物图，表1所示为玻璃和聚氨酯的声学力学特性参数。

1.2 仪器设备

1.2.1超声波探伤仪

试样使用汉威HS620超声波探伤仪进行检测，其技术参数如表2所示。

1.2.2X射线探伤仪

试样使用日联科技X射线探伤仪进行缺陷检测，其技术参数如表3所示。

2结果与讨论

2.1 界面脱粘缺陷的超声波分析

为了有效识别和提取不同位置脱粘典型缺陷波形，分别在玻璃/聚氨酯一界面与聚氨酯/玻璃二界面制作了人工分层脱粘缺陷及粘接良好样件。如图3所示是超声波分析粘接良好、一界面脱粘和二界面脱粘三种粘接状态得到的三种不同典型波形。

粘接良好;（b）一界面脱粘;（c）二界面脱粘

图3（a）所示粘接良好的波形特征：在低于48mm的范围有多次一界面回波;48mm处为二界面回波（闸门位置），52mm处为三界面回波。

图3（b）所示是一界面脱粘的波形特征：每间隔8mm出现一次波峰（峰值呈递减状态），在两个波峰之间有一处波高低于两侧波峰的小波峰。分析其原因，是因为一界面脱粘时，超声波无法进入聚氨酯层，超声波在玻璃层的上下界面来回反射，从而产生多次一界面回波。由于声波的干涉效应，可能相互干涉出现波峰，也可能相互干涉出现波谷，因此表现图2（b）所示无损检测结果的特征。

图3（c）所示是二界面脱粘的波形图，一界面回波总体峰值较低，波峰间隔8mm左右。

综合比较三种胶接状态的典型波形，利用波形特点可以判断玻璃-聚氨酯-玻璃多层胶接结构的粘接情况并确定界面脱粘缺陷的位置，具体如下：

（1）低于48mm的范围有多次一界面回波，48mm左右与52mm左右有明显的波峰，为粘接良好胶接结构;

（2）每间隔8mm出现一次波峰，两个波峰间存在更小的峰，且峰值呈递减状态，为一界面脱粘缺陷结构;

（3）一界面回波总体峰值较低，波峰间隔8mm左右，为二界面脱粘缺陷结构。

2.2 界面脱粘缺陷的X射线衍射分析

图4所示是四个试样的X射线二维检测结果，图中黑色区域代表低密度区域，即缺陷区域。图5所示是试样1的X射线三维检测结果。

试样三维检测图上可以清晰地观察到聚氨酯中的固化收缩导致的孔隙、裂纹等缺陷，且能区分缺陷所在的准确位置和形状。表明X射线可检测出粘接试样上存在的界面粘接缺陷和材料内部的自然缺陷。

2.3 界面脱粘缺陷的超声测长法定量分析

评价安全隐患对缺陷量化十分必要，为定量分析界面脱粘缺陷，本文采用测长法对玻璃-聚氨酯-玻璃结构的界面脱粘缺陷进行定量分析，图6所示是测长法定量分析示意图。回波峰值达到80%定义为粘接良好，峰值为40%时即定义为脱粘缺陷。实验过程中采用半峰值法进行定量，以二界面回波峰值为“基准”，沿脱粘缺陷长度方向移动探头，以超声波降低的分贝值定义长度，重复操作即能判定脱粘面积。当缺陷大于波束截面时，采用超声测长法定量分析脱粘缺陷面积具有较高精度。

3结语

（1）利用波形特点可以判断玻璃-聚氨酯-玻璃多层结构胶接结构的粘接情况并确定界面脱粘缺陷的位置：1）低于48mm的范围有多次一界面回波，48mm左右与52mm左右有明显的波峰，为粘接良好胶接结构;2）每间隔8mm出现一次波峰，两个波峰间存在更小的峰，且峰值呈递减状态，为一界面脱粘缺陷结构;3）一界面回波总体峰值较低，波峰间隔8mm左右，为二界面脱粘缺陷结构。

（2）X射线可检测出粘接试样上存在的界面粘接缺陷和材料内部的自然缺陷。

（3）采用半峰宽测长法可对界面脱粘缺陷面积进行定量分析。

参考文献

[1] 徐猛，徐彦霖，王增勇，等.粘接结构的超声检測技术及其进展[J].机械，2007， 34（6）：56-58.

[2] 王雷.基于超声测量的聚合物粘接界面表征方法研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[3] 吴德新，黄通生.不同被检材料中不同缺陷超声波检测的波形识别[J].机电产品开发与创新，2010，23（2）：142-143.

收稿日期：2019-06-25

作者简介：王小杰（1982—），男，河南安阳人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：城市轨道交通。